礦用液壓挖掘機動臂升降控制系統研究

馬生鵬

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

液壓挖掘機憑借著機動性好、調速范圍大、應用靈活可靠的特點廣泛應用于各類礦山開采中，礦用挖掘機懸臂和鏟斗部分的運行主要是依靠液壓系統控制液壓油缸的動作來實現的。在現有的挖掘機動臂控制系統中，動臂在下降作業時，系統的功率消耗極大，導致液壓系統發熱量高，特別是挖掘機動臂的勢能損失極大，導致在動臂下降到較低的位置時會產生一個較大的液壓沖擊，對系統各元器件造成極大的影響，嚴重降低了挖掘機工作時的可靠性和使用壽命[1]，因此需要對挖掘機的動臂液壓控制系統進行優化研究，提升對下降時能量的回收效率，提升掘進機的工作速度，改善設備操作性能。

1 挖掘機動臂液壓控制系統

為了改善現有液壓控制系統在動臂下降時能量損失大、工作效率低下的難題，合理利用動臂下降時的重力勢能，降低系統的能量消耗，本文提出了一種新的流量再生的液壓控制系統，其結構如圖1所示。

該流量再生的液壓控制系統的核心為一個比例再生閥，在挖掘機動臂下降的過程中，其利用動臂和所承載物料的自重完成動臂的下降，在這個過程中執行油缸回油腔的油液則經過比例再生閥直接進入到執行油缸的進油腔，超過溢流比的油液則通過單向閥回到油箱。挖掘機的動臂液壓缸在下降時的速度可以通過比例溢流閥開口的大小來進行調節。

2 挖掘機數學模型的建立

礦用挖掘機的動臂機構的結構示意圖如圖2所示。

圖1 流量再生控制系統液壓原理圖

圖2 礦用挖掘機動臂機構結構簡圖

由圖2可知，位置A為挖掘機的動臂和承臺的銷接點，位置B為動臂和小懸臂的銷接點，位置C為小懸臂和挖掘機鏟斗的銷接點，位置D為鏟斗的掘齒，位置E表示動臂執行油缸和承臺的銷接點，位置I為動臂執行油缸和動臂連接處的銷接點，位置F和位置J表示小懸臂的執行油缸和動臂的銷接點，位置K表示鏟斗執行油缸和鏟斗的銷接點，G1、G2、G3分別表示挖掘機動臂、小懸臂和鏟斗的重心。

挖掘機動臂機構上各點的坐標位置可表示為：

式中：Xi為位置i處在X軸上的坐標；Yi為位置i處在Y軸上的坐標；θ1為挖掘機動臂和小懸臂之間的夾角。

由式（1）（2）即可根據挖掘機動臂、小懸臂和鏟斗之間的夾角來對挖掘機的工作狀態進行分析。

挖掘機工作時各執行油缸的作用力可表示為[2]：

式中：Wi為挖掘機懸臂結構重量；Wx為挖掘機鏟斗內負載的質量；bi為挖掘機懸臂結構對位置A處的懸臂的力臂；bx為挖掘機鏟斗內負載對位置A處的懸臂的力臂；e為動臂執行油缸對位置A處的力臂。

3 試驗驗證

為對流量再生液壓控制系統[3]的工作效果進行驗證，本文采用高靈敏性的壓力傳感器及數據信號記錄儀[4]對挖掘機在最大負載情況下的工作情況進行驗證。

當挖掘機在滿載情況下進行動臂抬升作業時，動臂執行油缸及液壓泵在出口位置的壓力變化曲線如圖3所示。

圖3 動臂執行油缸及液壓泵壓力變化曲線

由圖3可知，挖掘機動臂在流量再生液壓回路的作用下，動臂從最低位置到的最高位置用時約14.1 s，在挖掘機鏟斗滿載負荷的作用下，動臂在提升時執行油缸無桿腔的壓力波動較大，最大壓力峰值可達23.8 MPa，最后壓力穩定在約22.5 MPa，當上升到指定位置后，在動臂及物料重力的作用下執行油缸無桿腔的壓力將在慣性沖擊作用下產生一定的波動。執行動臂抬升過程中的變化趨勢基本一致，分析可知，該流量再生回路完全滿足挖掘機動臂抬升過程中的壓力需求，且該系統回路工作時的速度也滿足挖掘機的控制要求。

挖掘機在采用流量再生液壓回路和常規液壓控制系統下，在動臂滿載負載下降情況下執行油缸的負載壓力變化曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 流量再生控制回路下的執行油缸壓力變化曲線

圖5 常規液壓控制回路下的執行油缸壓力變化曲線

由試驗結果可知，當挖掘機采用再生液壓控制回路情況下，動臂從最高點降低到最低點所需時間約為17 s，而當采用常規液壓控制回路情況下，則需要近35 s，其運行控制速度提高了約51.43%。新的液壓控制系統在工作過程中的壓力波動明顯低于采用傳統回路的液壓控制系統，在到位后的停止階段也無明顯的液壓沖擊，因此采用新的挖掘機動臂升降控制回路能夠顯著提升挖掘機在執行下降作業時的速度，降低工作過程中的液壓沖擊，提升挖掘機的使用壽命，可操作性得到了極大的優化和提高，達到了預期的設計目的。

4 結論

1）采用新的控制系統，動臂從最低位置到的最高位置用時約14.1 s，在挖掘機鏟斗滿載負荷的作用下，工作時的最大壓力峰值可達23.8 MPa，完全滿足挖掘機動臂抬升過程中的壓力和速度要求；

2）采用新的液壓控制系統后，挖掘機下降時的速度提升了51.43%，液壓系統在工作時的穩定性和可操作性得到了顯著的提升。